CONSTRUCTIONS RENTABLES

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1 CONSTRUCTIONS RENTABLES STRATEGIES POUR LES BÂTIMENTS A OSSATURE METALLIQUE EN EUROPE (UTILISATION DU LOGICIEL DE CALCUL DES COÛTS - ACE) Etude pour: RFCS contrat RFSR-ct Document: RT1336 Version: 06 Date: Octobre 2010 SCI, Silwood Park, Ascot, Berkshire, UK, SL5 7QN Tel: + 44(0) Fax: + 44(0)

2 Version Issue Objet Auteur Relecteur Approuvé 6 Projet final pour commentaires JWR BAB BAB Bien que toutes les précautions aient été prises pour garantir l exactitude des informations contenues dans ce document, l Institut de Construction en Acier (SCI) n assume aucune responsabilité pour toutes erreurs, mauvaises interprétations, ou toutes pertes ou dommages en découlant. Pour plus d informations sur la publication, téléphone direct: +44 (0) ou publications@steel-sci.com Pour plus d information sur les cours, téléphone direct: +44 (0) ou education@steel-sci.com reception@steel-sci.com Site internet: ESE - Strategies for economic construction ver 06_FR_Final.doc ii

3 AVANT-PROPOS Cette publication est un des documents à fournir dans le cadre du projet Rentabilité des bâtiments à ossature métallique en Europe (ESE), subsidié par le Fonds de Recherche de l Acier et du Charbon (RFCS), par l intermédiaire de la convention n RFSR-CT Il a été conçu pour fournir une aide aux concepteurs et aux constructeurs de bâtiments à structure en acier, de sorte qu ils puissent rendre la structure la plus économique possible selon leurs besoins. Ce document est destiné à être utilisé avec le logiciel ACE qui a été mis à jour dans le cadre de ce projet. Ce logiciel est disponible sur internet. Ce document a été rédigé par le Docteur J. W. Rackham de l Institut de la Construction en Acier (SCI), avec la collaboration et les commentaires des autres partenaires du projet, à savoir : Docteur Bassam Burgan (Co-ordinator) Institut de la Construction en Acier (SCI) Professeur Andrzej Garstecki Université de la Technologie de Poznan Docteur Maciej Klósak Université de la Technologie de Poznan Ir Françoise Lecomte-Labory ArcelorMittal Global R & D (Esch) Ir Bennie Potjes Bouwen met Staal Ir Jo Naessens InfoSteel (Centre Information Acier) Le projet a été approuvé et supervisé par le Groupe Technique TGS8 (RFCS). Stratégie ESE pour la construction rentable de bâtiments en acier en Europe iii

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5 TABLE DES MATIERES Page AVANT-PROPOS RESUME 1 INTRODUCTION 1 2 LES AVANTAGES DES BATIMENTS A OSSATURE METALLIQUE Développement durable Fabrication en usine dans des conditions contrôlées Rapidité de construction Flexibilité d utilisation Avantages de l acier dans les bâtiments résidentiels Avantages de l acier dans les bâtiments commerciaux Avantages de l acier dans les bâtiments industriels 5 3 LES BATIMENTS RESIDENTIELS MULTI-ETAGES A OSSATURE METALLIQUE Options structurelles Systèmes de planchers et charges Isolation acoustique Toiture Sécurité incendie 22 4 BATIMENTS COMMERCIAUX MULTI-ETAGES A OSSATURE METALLIQUE Options structurelles Mise en œuvre du plancher et chargement Toiture Sécurité incendie 36 5 BATIMENTS INDUSTRIELS A STRUCTURE METALLIQUE Concept de dimensionnement et configuration des bâtiments industriels Portiques cintrés ou en pente Les structures poutres et poteaux Sécurité incendie 52 REFERENCES 54 iii vii Stratégie ESE pour la construction rentable de bâtiments en acier en Europe v

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7 RESUME Ce guide est destiné aux concepteurs et aux producteurs de bâtiments à structure en acier en Europe leur permettant de réaliser des dimensionnements efficaces et compétitifs. Il couvre les bâtiments industriels à un niveau, ainsi que les bâtiments commerciaux et résidentiels à plusieurs étages. Ce document montre les avantages de la construction en acier et met en évidence différents atouts pour certains types de bâtiments. Il donne un aperçu du logiciel de calcul de coût ACE, et explique les paramètres qui affectent les coûts de construction. Les options du logiciel permettant de dimensionner différentes parties de la structure, comme les fondations, le type de structure et de plancher, etc... sont décrites, de telle sorte que des comparaisons de coût peuvent être effectuées. Les principaux types de bâtiments sont expliqués en détail. Pour les bâtiments résidentiels et commerciaux à plusieurs étages, une aide est proposée pour le dimensionnement de la structure. Des informations sur une conception optimale des différents types de planchers sont également fournies. Les points clés de la construction de planchers sont expliqués, et une aide pour le dimensionnement des éléments structurels et autres composants est aussi fournie. Une stratégie de conception optimale pour le dimensionnement de chaque type de plancher est recommandée avec le logiciel ACE. Des informations supplémentaires sont données sur la sécurité incendie, l isolation acoustique des sols pour les bâtiments résidentiels et sur les options d intégration des équipements techniques dans les bâtiments commerciaux. Une aide au dimensionnement est donnée pour les bâtiments industriels à un seul niveau, et différentes options de structures sont présentées. Des conseils sur les toitures en pentes et les toitures plates à simple travée sont fournis, ce sont les systèmes les plus couramment utilisés pour les bâtiments de ce type. Une large gamme de structures avec toitures en pente est considérée, et une aide est fournie sur leur utilisation optimale. Un tableau pour ces structures à toitures en pente est disponible pour réaliser des estimations. Des indications sont également proposées sur les connections utilisées en pratique et sur la sécurité incendie. Stratégie ESE pour la construction rentable de bâtiments en acier en Europe vii

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9 1 INTRODUCTION De grands progrès ont été réalisés ces dernières années dans la conception des bâtiments à ossature métallique. Des informations sur le dimensionnement de ce type de bâtiment existent dans des publications telles que les Eurocodes, ainsi que de nombreux projets RFCS/ECSC. Les Eurocodes fournissent au concepteur une large gamme de méthodes pour dimensionner des bâtiments à ossature métallique. Cependant, les informations sur les coûts des constructions en aciers ne sont pas facilement disponibles. Le plus souvent l acier n a pas été recommandé pour la construction, parce que les concepteurs: n ont pas considéré l acier comme solution possible en raison de leur à priori sur la complexité ou la non familiarité avec les coûts de construction, ou ont préparé une solution en acier, mais l ont rejetée aux premières étapes de dimensionnement en raison d une mauvaise approche de conception la rendant non économique. Une étude de marché effectuée dans neuf pays Européens (1) a démontré la nécessité d avoir plus d informations générales sur les coûts des constructions en acier. Il existe des relations directes et indirectes entre le dimensionnement optimal d une structure et son coût. Une modélisation optimale en terme de structure n est pas nécessairement performante en terme de coût (par exemple : une structure noncontreventée avec des connexions mixtes poutre-poteau, performante du point de vue structurelle, peut devenir plus onéreuse à cause de la complexité des connexions). En plus des facteurs identifiés conditionnant les coûts directs de construction (par exemple, le poids des matériaux utilisés, la hauteur du bâtiment, la sécurité incendie, etc.), il est également important de considérer d autres coûts liés au type de structure. En effet, bien que l un des avantages bien connus de l acier soit la rapidité de construction, l effet de cette vitesse sur le coût est souvent négligé. Par exemple, le coût de la gestion des installations de chantier, la réduction d emprunt pour financer la construction, et le bénéfice financier lié à une location plus rapide aux clients seraient également à prendre en compte. La compétitivité de la construction en acier est aussi fortement influencée par les conditions générales du marché qui ont été assez volatiles ces derniers temps. Une forte demande de la Chine a causé une flambée des prix de l acier sans précédent ces dernières années à travers le monde, le tout, suivi d une forte baisse en raison de la récession. Souvent, les solutions structurelles en acier sont perçues comme étant plus coûteuses par rapport à celles réalisées avec d autres matériaux, mais il n existe aucune solution simple permettant aux architectes et aux acheteurs potentiels de vérifier cela. Un projet a été mis en place afin de répondre à cette attente et de fournir un outil internet permettant le calcul des coûts (ACE) pour les concepteurs de bâtiments en acier en Europe. Le logiciel ACE permet à ses utilisateurs de calculer le coût effectif des solutions en acier au stade de conception du projet. Il a été développé en utilisant les dernières techniques de modélisation des coûts pour l ensemble du bâtiment, il comprend une interface conviviale pour intégrer facilement les mises à jour des taux des prix. Le champ d application du logiciel couvre les bâtiments industriels à un niveau, ainsi que les bâtiments résidentiels et commerciaux à plusieurs étages. Il permet aussi l optimisation des coûts sur l ensemble de ces types de bâtiments en rendant les ESE - Strategies for economic construction ver 06_FR_Final.doc 1

10 comparaisons possibles. Une aide est ainsi apportée aux concepteurs pour convaincre les décideurs et les investisseurs à utiliser l acier dans ce secteur. L outil a été validé en utilisant des données de coûts de constructions relatives à des bâtiments de référence pour chacun des trois types de bâtiment. Ce document propose aux concepteurs des stratégies pour une construction compétitive selon le type de bâtiment. Il a été réalisé pour accompagner le logiciel de calcul de coût ACE. C est un guide pratique pour le dimensionnement de chaque type de bâtiments, ainsi que pour le choix de la structure et de ses composants le plus économique. Enfin, cet outil devrait réduire le temps nécessaire habituellement pour élaborer une solution économique. ESE - Strategies for economic construction ver 06_FR_Final.doc 2

11 2 LES AVANTAGES DES BATIMENTS A OSSATURE METALLIQUE 2.1 Développement durable Actuellement, au moins 50% de la production d acier de l UE provient de matériaux recyclés, de plus l acier est 100% recyclable. La faible quantité de déchets produite par l industrie et par la construction est recyclée. Tous les composants des constructions en acier peuvent aussi être recyclés à la fin de leur cycle de vie. Le poids d une structure en acier est faible en comparaison aux autres alternatives, et il implique de fondations moins importantes. De plus, son utilisation a un impact évident sur la réduction des coûts, car son usage permet une utilisation plus efficace des sites de «friches industrielles» (terrains sur lesquels on a déjà construit), qui ont souvent une qualité de sol médiocre. Il existe de nombreux planchers, toitures et systèmes de revêtement qui peuvent être intégrés dans une structure en acier. Ces systèmes peuvent fournir des niveaux élevés d isolation et d étanchéité. La consommation d énergie durant toute la vie du bâtiment est ainsi réduite, et les émissions de CO 2 sont minimisées. 2.2 Fabrication en usine dans des conditions contrôlées Les éléments métalliques et les composants sont fabriqués dans des conditions d usine avec de très faibles tolérances. Le processus permet le transfert électronique de données du concepteur au fabriquant, ce qui améliore la qualité des contrôles et permet de réaliser plus aisément des modifications dans la conception. Cette procédure garantit un produit de haute qualité et une mise-en-œuvre correcte dans le bâtiment. Le procédé n est pas affecté par le climat, et assure un planning de construction plus fiable et moins risqué pour le client. La livraison de l acier parachevé sur le site de construction peut être effectuée seulement en temps utile, ce qui minimise les stocks sur chantier. Cela peut être très important pour des sites encombrés ou dans les zones urbaines. Il y a aussi besoin de beaucoup moins d eau sur les sites de construction de structures en acier. 2.3 Rapidité de construction Les constructions en acier peuvent être beaucoup plus rapides que les autres alternatives. Par exemple, les planchers et les éléments structurels d un bâtiment commercial classique de 8 étages peuvent être construits jusqu à 40% plus rapidement qu une solution alternative en béton armé. La fabrication des éléments structurels en acier peut coïncider avec l étape de fondations. La construction rapide de la structure en acier permet une mise-en-œuvre des éléments de façade et toiture en début de programme. Ce qui permet de créer un environnement sec pour les corps de métiers suivants, qui pourront aussi commencer plus tôt. Les avantages financiers liés à la mise-en-œuvre plus rapide sont les suivants: Réduction des équipements et frais de gestion du site réduction des coûts de location des locaux de chantier, du personnel, frais de grue, etc. Retour en investissement plus rapide réduction des flux de trésorerie Réduction des intérêts de paiement ESE - Strategies for economic construction ver 06_FR_Final.doc 3

12 2.4 Flexibilité d utilisation Grace aux propriétés de résistance et de rigidité inhérentes à l acier, les longues portées peuvent être atteintes facilement, ce qui permet de réaliser de grands espaces libres. Les espaces libres permettent un usage varié qui peut être adapté aux besoins du client. Un bâtiment à ossature métallique peut assez facilement être étendu du fait que les éléments structurels peuvent être modifiés afin d y joindre une nouvelle structure annexe. Les systèmes de plancher intégrés à la structure métallique peuvent contenir facilement des ouvertures, et les poutres peuvent être parachevées avec des trous pré-percés. Tout cela permet une flexibilité considérable pour les équipements de service. 2.5 Avantages de l acier dans les bâtiments résidentiels Le secteur des bâtiments résidentiels représente 25% de la construction en UE; au sein de ce marché, les appartements et les grands immeubles résidentiels représentent 15 à 50 % des foyers suivant les pays. Le secteur du logement résidentiel est de plus en plus exigeant concernant la performance énergétique, l adaptabilité et une meilleure qualité des bâtiments. Il y a aussi d importantes tendances régionales et démographiques pour différents types d habitations, incluant aussi bien le logement des personnes seules ou à plus forte densité. D autres avantages clés relatifs au logement résidentiel sont : L isolation thermique Les matériaux modernes d isolation utilisés dans la construction en acier ont une faible valeur U, qui représente la déperdition thermique, et un haut niveau d étanchéité qui peut conduire à un environnement chaud, sans courant d air à l intérieur, et une facture d énergie réduite pour l occupant. Performance Acoustique Dans la construction légère en acier, la présence de cavités et d une isolation obtenue par plusieurs épaisseurs de matériaux et couches résistantes fournissent d excellentes performances acoustiques. Durabilité La construction sèche et l utilisation de matériaux pour la structure sans fluage ni retrait à long terme va minimiser les fissurations et les endommagements des finitions au cours de la période de séchage. La rapidité de construction peut être particulièrement importante pour les grands immeubles résidentiels tels que les logements étudiants, qui doivent être réalisés dans des délais courts en dehors des périodes scolaires. 2.6 Avantages de l acier dans les bâtiments commerciaux Pour les bâtiments commerciaux, les avantages de la construction en acier sont notamment: La possibilité d offrir de grandes aires de planchers exemptes de poteaux L intégration aisée des équipements techniques afin de réduire les hauteurs de systèmes de plancher. Une flexibilité à long terme qui permet de modifier le bâtiment et son usage au cours du temps Un stockage minimum sur le site de construction, en raison d un taux élevé de fabrications hors chantier. ESE - Strategies for economic construction ver 06_FR_Final.doc 4

13 2.7 Avantages de l acier dans les bâtiments industriels Pour les bâtiments industriels, les avantages de la construction en acier sont: Capacité de fournir des structures de longues portées relativement légères de manière rapide et économique Possibilité de fournir des structures attractives du point de vue architectural Réalisation d une structure facilement adaptable et modulable pour ses utilisations futures ESE - Strategies for economic construction ver 06_FR_Final.doc 5

14 3 LES BATIMENTS RESIDENTIELS MULTI-ETAGES A OSSATURE METALLIQUE 3.1 Options structurelles Pour les immeubles à plusieurs étages nécessitant un espace à ciel ouvert, une structure en acier est une solution idéale. Elle peut être combinée à de nombreux types de plancher, y compris les planchers mixtes, les dalles préfabriquées en béton, les systèmes à poutres intégrées (ou Slimfloor), et les poutres inversées en acier voir partie 3.2. Dans les bâtiments résidentiels, les poutres sont souvent disposées en alignement avec les murs entre logements (murs de séparation), mais les systèmes de planchers avec poutres intégrées permettent de disposer des cloisons partout. Les poteaux sont généralement des profilés HE/UCK ou des sections creuses carrées et sont conçues pour s adapter à l épaisseur d un mur de séparation lorsque cela est possible. La plupart des bâtiments sont des structures tridimensionnelles avec des grilles horizontales, c est à dire, avec des poutres primaires et secondaires bidirectionnelles à 90 C. La stabilité latérale et la résistance aux forces horizontales doivent être prises en compte séparément dans ces deux principales directions. Des solutions différentes peuvent être appropriées dans les deux directions. Les bâtiments résidentiels qui doivent accueillir un parking au niveau du rez-dechaussée ou du sous-sol nécessiteront une trame de la structure compatible avec l accès et l aménagement des stationnements. Sinon, des poutres permettant un transfert de masse important peuvent être utilisées pour couvrir et assurer un espace libre de colonne sur la zone du parking, mais cette solution est coûteuse. La disposition des aires de stationnement sera déterminée en partie par les modalités d accès, que ce soit par l avant, l arrière ou le côté du bâtiment, mais aussi par le rayon de manœuvre et le champ de vision qui doivent aussi être pris en compte. Le choix d une ou deux voies de circulation a aussi une influence majeure sur l espace disponible. Généralement, les places de parkings doivent être situées sur les deux côtés d un axe de circulation centrale. Quand les places de stationnement sont perpendiculaires aux murs de façade, le passage a normalement 6100 mm minimum de large, et les aires de stationnement ont entre 2400 et 2800 mm de largeur et 4800 à 5800 mm de longueur (les dimensions maximales représentent des places de taille relativement généreuse). La disposition typique d un parking est montrée à la Figure 3.1. ESE - Strategies for economic construction ver 06_FR_Final.doc 6

15 Figure 3.1 Disposition classique d un parking dans un bâtiment résidentiel à plusieurs étages Les bâtiments qui n ont pas de parking auront plus de liberté dans le choix de la disposition du noyau central et des contreventements. Les structures sont souvent classifiées comme contreventées ou non, selon que le contreventement est assuré, ou que la structure est reliée à un noyau rigide, qui englobe généralement les ascenseurs, les équipements techniques verticaux et les escaliers. Des exemples de contreventement et d un noyau rigide en béton sont présentés à la figure 3.2 et à la figure 3.3. Quand des contreventements en croix ne sont pas possibles dans un bâtiment, ils peuvent être remplacés par un contreventement en portique stable. Les structures contreventées sont les plus économiques si on utilise des connections simples, où les poutres et les poteaux sont articulés, et transmettent uniquement le cisaillement depuis les extrémités des poutres aux poteaux, comme montré à la figure 3.4(a). Ces connections sont aussi plus faciles à analyser. Le noyau central ou les baies contreventées doivent être positionnés de façon rigoureusement symétrique par rapport au plan d ensemble du bâtiment, car une disposition asymétrique ferait accroître la répartition des efforts dans les contreventements. Quand le bâtiment est divisé en sections par des joints de dilatation, chaque section doit être considérée comme un bâtiment séparé. Les planchers agissent comme des diaphragmes qui transfèrent l ensemble des actions horizontales au noyau central ou aux baies contreventées. La disposition des contreventements devrait être considérée en phase de conception du projet afin de minimiser les problèmes liés à la disposition des fenêtres. ESE - Strategies for economic construction ver 06_FR_Final.doc 7

16 Les appartements adjacents sont une bonne solution dans les bâtiments résidentiels de moyenne hauteur (c.-à-d. jusqu à 8 étages), car dans ces cas les contreventements peuvent être intégrés dans les murs. Les structures non contreventées dépendent de la rigidité et de la résistance des connexions entre poutres et poteaux afin de leur permettre de résister aux efforts latéraux (principalement en flexion). Ces structures sont complexes à analyser, elles nécessitent l utilisation de plats d extrémité plus épais, plus de boulons et de raidisseurs, ainsi qu un temps de fabrication plus long que les connexions «simples» (cf. figure 3.4(b)). Généralement elles nécessitent des sections plus larges afin de fournir la rigidité et la résistance nécessaires. Elles ne sont pas particulièrement appropriées aux bâtiments résidentiels qui ne nécessitent pas d intégrer de nombreux équipements techniques. La limite pratique pour ce type de construction est normalement considérée à plus ou moins 4 étages, en raison des dimensions nonéconomiques des éléments de la structure et du dimensionnement non usuel des connexions. La hauteur des étages dépend du choix du système de plancher et de la hauteur sous plafond spécifiée, mais les valeurs habituelles sont de 2500 mm de hauteur sous plafond et 450 à 550 mm d épaisseur de plancher ce qui conduit à un étage d une hauteur totale comprise entre 3 et 3,1 m. ESE - Strategies for economic construction ver 06_FR_Final.doc 8

17 (a) 1 2 Légende: 1 Murs en béton pour le noyau central 2 Portes (b) (c) Figure 3.2 Types de structures contreventées: (a) noyau rigide en béton, (b) contreventement en V inversé, (c) alternatives de contreventements triangulaires ESE - Strategies for economic construction ver 06_FR_Final.doc 9

18 (a) A 2 1 A A - A 1 Légende: 1. Murs en béton du noyau central 2. Portes (b) (c) Figure 3.3 Disposition efficace pour la résistance aux efforts horizontaux: (a) Noyau en béton entourant escaliers, ascenseurs, équipements techniques, etc. (b) Noyau rigide en panneaux contreventés, (c) Panneaux rigides non groupés en noyau ESE - Strategies for economic construction ver 06_FR_Final.doc 10

19 (a) (b) Figure 3.4 Types de connections poutre-poteau: (a) articulé, (b) rigide Suggestion pour la stratégie de dimensionnement Pour une construction la plus économique: Concevoir une trame de poteaux compatible avec le parking en rez-dechaussée/sous-sol quand un parking est nécessaire. Utiliser une structure contreventée pour les constructions simples Disposer les contreventements de façon symétrique Concevoir des étages d une hauteur de 3 à 3,1 m 3.2 Systèmes de planchers et charges Ce paragraphe donne des détails sur le taux de chargement des sols et décrit différents types de planchers souvent utilisés dans les bâtiments résidentiels à plusieurs étages. Les principales caractéristiques de chaque système de plancher y sont décrites, avec des conseils sur les principaux points de dimensionnement Charges Pour les sols, les principaux types de charges à prendre en compte dans le dimensionnement du bâtiment sont: Le poids propre (finitions incluses). Les charges d exploitation (y compris les charges plus élevées dans les zones communes). ESE - Strategies for economic construction ver 06_FR_Final.doc 11

20 Les charges classiques sont décrites dans le Tableau 3.1. Tableau 3.1 Types de charges dans les bâtiments résidentiels Type de charges Valeurs moyennes (kn/m 2 ) Charges imposées Usage résidentiel 1.5 à 2.0 Couloirs et zones communes 3 Zones commerciales 2.5 à 4 Cloisons (légères) 0.5 à 1.0 Poids propres: Parois en acier léger 0.5 à 1.0 Dalles de planchers mixtes 2.5 à 3.5 Dalles préfabriquées en béton 2.5 à 4 Le chargement des structures est couvert par la norme EN 1991 de l Eurocode 1 Actions sur les structures. Les valeurs recommandées pour les charges imposées sont indiquées dans la partie 1.1, celles pour les charges d incendie dans la partie 1.2. Les actions en phase de construction se trouvent dans la partie Poutres mixtes et dalles mixtes avec bacs acier Les poutres mixtes et les dalles mixtes avec bacs acier et béton coulé sur place sont très souvent utilisées en construction métallique. Les poutres mixtes sont des poutrelles en acier conçues pour collaborer avec la dalle de béton grâce à l utilisation de connecteurs soudés. Les connecteurs sont soudés à travers la tôle, mais ils peuvent aussi être pré-soudés ou fixés à la flamme à la poutre. L action mixte augmente considérablement la résistance et la rigidité des poutres en acier, ce qui améliore ses capacités de portée. Les bacs en aciers sont utilisés pour agir en tant que coffrage permanent et renforcement de la dalle. Les tôles profilées font partie intégrante des systèmes mixtes et leur dimensionnement dépend largement de l espacement des poutres et de l épaisseur de la dalle, mais il est normalement régi par les charges (poids humide du béton et des équipements) supportées pendant la phase de construction. ESE - Strategies for economic construction ver 06_FR_Final.doc 12

21 Figure 3.5 Dalle mixte classique et poutre de rive mixte (le treillis de renforcement est omis pour raison de clarté de schéma) Des portées de 2,5 à 4,5 m peuvent être atteintes en utilisant un plancher mixte entre deux poutres et un bac acier de 50 à 80 mm de hauteur, avec des épaisseurs d acier de 0,8 à 1,2 mm. L épaisseur de dalle est généralement comprise entre 130 à 150 mm pour un maximum de 60 mm de hauteur de bac, et de 150 à 170 mm pour 80 mm de hauteur de bac. Aucun étayage provisoire n est nécessaire pendant la construction, à condition que l épaisseur des tôles profilées soit convenablement choisie pour la portée considérée. Les dalles mixtes sont relativement minces par rapport à la portée (des rapports portée/épaisseur allant jusqu à 32 sont possibles). Pour un dimensionnement performant, le bac métallique doit être continu sur une ou plusieurs travées intermédiaires, ce qui peut être impossible si les connecteurs sont pré-soudés sur les poutres. Pour des raisons de manipulation, les longueurs des tôles profilées ne devraient pas excéder les 10 m. Pour la plupart des applications, un appui sur des poutres porteuses est nécessaire dans les cas de portée suivants: 3 m pour des tôles profilées de 50 mm de hauteur 3,6 m pour des tôles profilées de 60 mm de hauteur 4,2 m pour des tôles profilées de 80 mm de hauteur Les dalles mixtes sont généralement renforcées par un treillis soudé (par exemple A142 à A193, défini par l aire d armature en mm 2 /m). Dans certains cas, des armatures supplémentaires sont placées dans la nervure des tôles afin d améliorer la résistance en flexion et la résistance au feu de la dalle. La somme des renforcements augmente selon le temps de résistance au feu requis, mais un treillis d armature nominal de 0,2% de l aire de section transversale de la dalle peut assurer 90 minutes de résistance au feu. Un treillis supplémentaire (jusqu à 0,4% pour bac acier étayé en phase de coulage de béton) est souvent prévu dans la dalle au-dessus de la poutre afin de limiter les fissurations de la dalle, ce qui se produit souvent au niveau des appuis, mais qui n affecte pas la résistance de la dalle. Des capacités de portées et de charges pour différentes épaisseurs de dalle, ainsi que la résistance au feu de dalles mixtes sont ESE - Strategies for economic construction ver 06_FR_Final.doc 13

22 présentées au tableau 3.2 pour des tôles profilées de 60 mm et au tableau 3.3 pour des tôles de 80 mm. Table 3.2 Cas de portée Tableau de dimensionnement classique de dalles mixtes avec des bacs de 60 mm (hauteur d onde) Résistan ce au feu (min) Epaisseu r de dalle (mm) Armature (mm 2 /m) Portées max. (m) pour le chargement imposé t = 0,9 mm t = 1,2 mm 2 5,0 kn/m 3,5 kn/m 5,0 kn/ 3,5 kn/m 2 2 m 2 Tôles à portée A142 2,8 2,8 3,2 3,2 simple sans étai A193 2,7 2,7 3,1 3,0 Tôles à double portée sans étai Une file d étais provisoires A142 3,2 3,2 3,9 3, A193 3,1 3,1 3,8 3, A252 2,9 2,9 3,5 3, A353* 3,8 3,4 4,0 3, A353* 3,4 3,1 3,6 3, A353* 3,1 2,9 3,3 3,0 t = épaisseur des tôles profilées en acier * exigé pour le contrôle de la fissuration en construction étayée A193 = armature de 193 mm 2 /m dans les deux directions. Table 3.3 Cas de portée Tableau de dimensionnement classique de dalles mixtes avec des bacs de 80 mm (hauteur d onde) Résistance au feu (min) Epaisseu r de dalle (mm) Armature (mm 2 /m) Portées max. (m) pour le chargement imposé t = 0,9 mm t = 1,2 mm 2 5,0 kn/m 3,5 kn/m 2 3,5 kn/m 2 5,0 kn/m 2 Tôles à portée A193 3,7 3,2 4,1 3,5 simple - sans étai A252 3,8 3,2 3,9 3,3 Tôles à double portée - sans étai t = épaisseur des tôles profilées en acier A193 4,2 3,8 4,6 4, A252 4,1 3,9 4,5 4, A393 4,0 3,9 4,3 3,9 Des planchers minces sont recommandés pour les bâtiments résidentiels, ainsi que des poutres massives telles que les sections UKC, HEA ou HEB sont généralement préférées. Les portées classiques font entre 4,5 et 7,5 mètres avec un rapport portée/épaisseur de l ordre de 25-30, et une épaisseur de plancher totale de 500 à 600 mm. Cette épaisseur peut être réduite si les murs peuvent être alignés aux poutres. Des tôles profilées de 80 mm utilisées dans une dalle de 150 mm d épaisseur peuvent atteindre une portée de 4,5 m sans étayage. Elles sont alors idéales pour l aménagement des espaces intérieurs, car les poutres peuvent s aligner avec les murs. Cela permet d incorporer les poutres dans les murs et facilite la fixation des parois légères (structures en acier). ESE - Strategies for economic construction ver 06_FR_Final.doc 14

23 La disposition des poutres peut impliquer des poutres primaires et secondaires qui dans les deux cas peuvent être mixtes. Toutefois, les poutres primaires mixtes nécessitent plus de connecteurs et de renforcements, pour cette raison les poutres primaires sont supposées être non mixtes dans le logiciel ACE. Les planchers mixtes peuvent résister au feu jusqu à 120 minutes grâce au treillis d armature uniquement, à condition qu ils soient posés en continu sur une ou plusieurs travées intermédiaires. Des armatures supplémentaires peuvent être placées dans les nervures des tôles profilées quand la zone de plancher est fortement chargée (par exemple les locaux techniques). La protection au feu des poutres peut être obtenue par des : protections par écrans rapportés (plaques de plâtre) sprays de protection peintures et revêtements intumescents Suggestion pour la stratégie de dimensionnement: Pour une construction la plus économique possible: Utiliser une dalle de béton entre 130 et 150 mm d épaisseur Choisir une épaisseur de tôles profilées afin d obtenir une travée d une portée comprise entre 2,5 et 3,75 m entre chaque poutres (sans avoir besoin d étayage) Choisir une portée de poutre entre 4,5 et 7,5 m et utiliser des profilés UKC ou HE avec un rapport portée/épaisseur d environ pour les poutres mixtes. Dans le cas de poutres non mixtes, un rapport de 18 est suggéré comme valeur d essai Poutres supportant des dalles préfabriquées Dans ce type de construction, les dalles de planchers préfabriquées en béton sont appuyées sur la semelle supérieure des poutres en acier. Dans certains cas, elles peuvent être conçues pour collaborer avec les poutres au moyen de connecteurs de cisaillement pré-soudés sur la semelle supérieure des poutres, comme montré à la figure 3.6. Les dalles préfabriquées en béton peuvent être utilisées avec des poutres les supportant, lorsque la dalle de plancher repose sur le sommet de la poutre, ou alors avec des poutres intégrées, lorsque les sections sont intégrées avec la dalle de plancher, comme décrit plus loin. Une disposition des poutres qui maximise la portée de l ensemble est souvent la solution la plus efficace. Les conditions temporaires en phase de construction, au moment où la poutre n est chargée que d un côté par un élément préfabriqué peut être le facteur dimensionnant. L utilisation de poutres supportant la dalle de plancher entraîne inévitablement une plus grande hauteur globale de plancher contrairement aux poutres intégrées ou Slimfloor. L un des principaux critères de conception de poutres supportant les dalles préfabriquées en béton consiste à réduire le plus possible la hauteur de poutre. Cela est particulièrement important pour les poutres mixtes car il doit y avoir suffisamment d espace autour des connecteurs (entre les extrémités des éléments préfabriqués) afin de permettre l action mixte. Pour cette raison, les dalles préfabriquées sont utilisées en général dans les applications de grandes portées avec des profilés IPE/UB plus hauts, ou dans les cas de faibles portées avec des profilés HE/UKC. Il est recommandé que la largeur de la semelle supérieure soit au moins de 190 mm afin d assurer une zone d appui de longueur suffisante (50-60 mm) pour les éléments préfabriqués. L utilisation des profilés IPE entraîne un plancher plus épais, à moins que les poutres ne soient alignées avec les murs. ESE - Strategies for economic construction ver 06_FR_Final.doc 15

24 Le système avec dalles préfabriquées en béton qui peut être analysé dans ACE comprend une dalle pleine mince, aussi connue sous le nom de pré-dalle (entre 50 et 100 mm d épaisseur) supportant une couche de béton coulé sur place et généralement conçue pour collaborer avec les poutres en acier. Les portées sont comprises entre 2,5 et 4,0 m. Figure 3.6 Poutres mixtes utilisées avec des éléments préfabriqués Les poutres de rive sont souvent dimensionnées comme non-mixtes, avec quelques goujons de cisaillement prévus pour répondre aux exigences de robustesse. Les poutres parallèles aux éléments préfabriqués ne peuvent pas être mixtes. Les chapes de béton (de 60 mm minimum) contribuent à assurer l isolation acoustique dans les bâtiments résidentiels. Toutefois, une couche résistante supplémentaire et une surface en bois à particules sont encore nécessaires, afin de répondre aux normes d isolation acoustique les plus exigeantes. La chape de béton contribue aussi à satisfaire la résistance au feu et aux exigences de robustesse en raison de son armature en treillis placé dans la chape. Les poutres en acier soutenant les dalles préfabriquées en béton peuvent être relativement épaisses et peuvent être dimensionnées avec un rapport portée/hauteur de 18 pour les profilés IPE. La flèche sera alors dans les limites normales de rapport portée/360 sous charges imposées. Les dalles préfabriquées en béton peuvent atteindre une résistance au feu jusqu à 90 minutes maximum sans chape de béton, ou 120 minutes maximum avec une chape en béton et des armatures noyées dans les dalles alvéolaires emplies de béton. La protection au feu des poutres en acier peut être réalisée avec : Une protection par écrans rapportés (plaques de plâtre) ; Un spray de protection ; Des peintures et revêtements intumescents. Suggestion pour la stratégie de dimensionnement: Pour une construction la plus économique possible: Maximiser la portée des éléments préfabriqués, là où c est possible Utiliser des poutres mixtes avec un rapport portée/épaisseur d environ 18 pour les profilés IPE, et 25 pour les profilés UKC/HE pour le schéma de dimensionnement Dimensionner les poutres de rive comme non-mixtes ESE - Strategies for economic construction ver 06_FR_Final.doc 16

25 3.2.4 Poutres intégrées avec dalles mixtes ou préfabriquées Les poutres intégrées supportent une dalle préfabriquée en béton ou une dalle mixte de forte épaisseur, coulée sur place. L objectif est que la poutre soit «absorbée» dans l épaisseur de la dalle. Ces profilés sont en général des IPE coupés à mi-hauteur et soudés sur une plaque de semelle inférieure. D autres types de profilés sont également possibles: Profilés HE ou UC avec plaque inférieure soudée (connues sous le nom de poutres Slimfloor - ce type de poutres étant couvert dans un chapitre suivant); Poutres laminées ASB à section transversale asymétrique (connues sous le nom de poutres Slimfloor Asymétriques - le logiciel ACE ne couvre pas ce type de section); Tubes rectangulaires RHS avec plaque inférieure soudée, souvent utilisés pour les poutres de rive (le logiciel ACE ne couvre pas ce type de section). Top Hat Q-beams fabriquées à partir de plats, avec une section transversale en forme de chapeau (non couvert par le logiciel ACE) Une disposition des poutres comprenant une poutre dans l axe central avec un système de plancher reposant jusqu au bord des poutres de rive sera généralement plus économique qu un système de dalle ou d éléments préfabriqués entre poutres transversales parallèles. Le rapport portée/épaisseur des poutres peut varier considérablement, parce qu il est important de garder des sections minces, dans un intervalle de 250 à 350 mm de hauteur. Les éléments entres poteaux sont souvent des sections en «T» renversés, qui peuvent s intégrer facilement dans le plancher. Les poutres de rive peuvent aussi bien être sous plancher ou intégrées, selon les exigences architecturales. Toutefois, les profilés RHS avec plaque inférieure soudée et profilé de forme fermée sont très efficaces pour résister à la torsion, mais peuvent être plus coûteux à fabriquer. Lorsque des poutres intégrées supportent des dalles alvéolaires en béton, comme illustré dans la Figure 3.7, les dalles ont souvent une portée plus longue que celle des poutres, de sorte que l épaisseur de la dalle et celle de la poutre soient compatibles. On utilise en général une chape en béton afin d obtenir de meilleures caractéristiques structurales et dynamiques du plancher, une surface plane, un bon encastrement des poutres et une meilleure performance acoustique. Les poutres intégrées sont conçues pour obtenir une épaisseur structurale minimale du plancher. Les poutres intégrées portant des dalles alvéolaires sont dimensionnées de telle sorte que la portée de la dalle soit au maximum de 9 m et celle de la poutre de 6 à 7,5 m. Le cas de calcul critique est souvent celui correspondant à la phase de chantier avec un chargement dissymétrique, ou un chargement sur des travées adjacentes inégales et provoquant une torsion de la poutre. ESE - Strategies for economic construction ver 06_FR_Final.doc 17

26 Figure 3.7 Poutres de plancher intégrées supportant des dalles préfabriquées en béton Les poutres intégrées peuvent être utilisées avec des dalles mixtes de forte épaisseur, quand le bac acier est dimensionné pour agir de façon mixte avec la dalle de béton afin de former une épaisseur totale de plancher de l ordre de 300 à 350 mm, comme montré à la figure 3.8. Des armatures de renforcement sont placées dans les ondes du bac acier pour augmenter la résistance du plancher, ainsi que pour la résistance au feu. Un treillis d armature est disposé sur l ensemble du plancher dans la partie supérieure de la dalle pour prévenir les fissurations sur les poutres, répartir les charges localisées et améliorer la résistance au feu. Des bacs jusqu à 6 m de portée peuvent être mis en œuvre sans étayage provisoire, et sont les plus économiques. Des bacs d une portée de 9 à 10 m peuvent être placés avec étayage important, une dalle plus épaisse et des barres de renforcement de grand diamètre dans les ondes. Les bacs ont généralement une épaisseur comprise entre 190 à 225 mm, selon le produit utilisé. L épaisseur minimum de béton au-dessus du bac est de 70 à 90 mm, afin de répondre aux exigences structurelles, mais surtout afin d obtenir une résistance au feu appropriée. Le rapport portée/épaisseur des dalles mixtes de forte épaisseur doit être limité à 25 afin d obtenir des performances adéquates en service. Les poutres intégrées sont idéalement espacées d environ 6 m afin d éviter l étayage du bac. Le dimensionnement des poutres est normalement gouverné par la torsion en phase de construction, ou par les critères en service. Un renforcement est nécessaire par dessus ou à travers l âme des poutres intégrées avec des dalles préfabriquées ou mixtes, dans le but de relier le plancher d un côté de la poutre à l autre côté. Il est nécessaire d assurer la robustesse de la construction et ainsi minimiser les risques de ruine progressive. Avec les dalles mixtes, il y a normalement une couche de béton suffisante au-dessus de la poutre pour que le treillis d armatures soit placé par-dessus la poutre. Cela peut être aussi possible avec des éléments préfabriqués, mais, quand il n y a pas de revêtement supérieur, des barres de renforcement doivent être placées au travers de l âme des poutres et dans les encoches de l élément préfabriqué. ESE - Strategies for economic construction ver 06_FR_Final.doc 18

27 Treillis Mesh de renforcement reinforcement Deep Bac decking acier Bar reinforcement Figure 3.8 Dalle mixte avec bac acier de forte épaisseur L enrobage partiel des poutres intégrées dans le béton permet une résistance au feu de 60 minutes. Une protection supplémentaire contre le feu peut être appliquée sur la semelle inférieure par divers moyens, tels que: Protection par écrans, par exemple par plaques de plâtre ; Revêtements intumescents appliqués sur site ou en usine. Les plaques constituent le moyen le plus pratique pour les poteaux. Les revêtements intumescents sont minces (1 ou 2 mm d épaisseur) et permettent de conserver le profil de l élément visible. Ces revêtements peuvent être appliqués hors chantier. Les poutres intégrées utilisées avec dalles alvéolaires et une chape de béton, ou avec des dalles mixtes de forte épaisseur assurent une excellente isolation acoustique, mais des couches additionnelles particulières sont souvent nécessaires pour répondre aux exigences acoustiques dans les bâtiments résidentiels. Les détails sur ces couches supplémentaires sont expliqués précédemment (voir relatif aux poutres et dalles mixtes avec bacs acier) Suggestion pour la stratégie de dimensionnement Pour une construction la plus économique possible: Utiliser une trame de poutres comprenant une poutre dans l axe central (si possible) dans un intervalle d épaisseur situé entre 250 et 350 mm Quand des éléments préfabriqués sont utilisés, choisir une portée de l ordre de 6 à 7,5 m, mais s assurer que l épaisseur de la dalle et de la poutre soient compatibles (cela implique normalement une dalle d une portée plus longue que les poutres) Quand des dalles mixtes de forte épaisseur sont utilisées, il faut idéalement une portée de 6 m (pour éviter l étayage) et assurer un recouvrement de béton de 70 à 90 mm au-dessus du bac. Garder un rapport portée/épaisseur de l ordre de 20 à 23 pour la dalle. Dimensionner les poutres de rive comme poutres de support non mixtes quand l architecture le permet, sinon utiliser des profilés RHS avec plaques soudées pour une meilleure performance Poutres Slimfloor avec dalles mixtes ou éléments en béton préfabriqué Les poutres Slimfloor sont similaires aux poutres intégrées par le fait que les poutre en acier se situent dans l épaisseur du plancher. Elles peuvent aussi être utilisées avec des éléments préfabriqués ou des dalles mixtes de forte épaisseur. Les poutres Slimfloor sont constituées de profilés laminés HE ou UKC avec une plaque soudée sur ESE - Strategies for economic construction ver 06_FR_Final.doc 19

28 la partie inférieure. La plaque dépasse d au moins 100 mm de chaque côté de la section laminée pour supporter les éléments du plancher ou les bacs. Elle a normalement une épaisseur située entre 12 à 15 mm. La hauteur des profilés peut aller jusqu à 350 mm, mais pour la plupart des applications résidentielles, elle sera comprise entre 200 et 300 mm. Une coupe transversale montrant une poutre Slimfloor avec une dalle mixte et un bac de forte épaisseur est montrée à la Figure 3.9. Les poutres mixtes peuvent aussi être utilisées avec des dalles mixtes, mais elles sont rarement utilisées en Europe et ne sont donc pas présentées dans ce rapport ni incluses dans ACE. Figure 3.9 Poutre Slimfloor classique supportant une dalle mixte avec bac acier Toutes les questions relatives aux éléments préfabriqués et aux dalles mixtes épaisses, comme la résistance au feu et les propriétés acoustiques présentées dans la partie sur les poutres intégrées ( 3.2.4) s appliquent aux poutres Slimfloor. Suggestion pour la stratégie de dimensionnement: Pour une construction la plus économique possible: Utiliser une disposition de poutres impliquant une poutre dans l axe central (dans la mesure du possible) avec une épaisseur de l ordre de 200 à 350 mm Dimensionner les poutres de rive comme poutres de support non mixtes quand l architecture le permet, sinon, utiliser des profiles RHS avec plaques soudées pour une meilleure performance Utiliser des profilés en «T» inversés comme lien entre les colonnes. 3.3 Isolation acoustique Afin de fournir une performance acoustique adéquate des planchers dans les constructions résidentielles, des revêtements de sols additionnels sont nécessaires. Deux types de systèmes sont les plus souvent utilisés, par couches ou par lattes. Un système multicouche, avec une épaisseur de couche de 40 à 65 mm, reposant sur une couche ayant des propriétés élastiques, par exemple 6 mm de caoutchouc. Un système typique de lattes comprendra des lattes de bois de 45 à 75 mm d épaisseur disposées sur la dalle et distantes d environ 450 mm, avec un plancher en aggloméré les recouvrant, comme à la figure Les lattes ont une couche de mousse collée sur leur face inférieure, ce qui garantit l élasticité nécessaire pour l isolation contre les bruits d impacts qui proviennent essentiellement des bruits de pas. Le plancher complet, plafond compris, doit être pris en compte lors du dimensionnement de l isolation acoustique. ESE - Strategies for economic construction ver 06_FR_Final.doc 20

29 18 mm (min) Plancher thick tongue à rainure and groove et languette, d épaisseur 18 mm minimum flooring board 45 mm min. Floor Dalle slab de (In-situ plancher concrete (dalle slab de béton on profiled steel decking or Proprietary Lattes battens avec withcouche de mousse coulée sur place sur bac acier, ou pre-cast units) integral resilient élastique foam strip élément préfabriqué) Figure 3.10 Types de sols avec systèmes de lattes sur une dalle mixte 3.4 Toiture Diverses options peuvent être envisagées pour les toitures lorsque l on fait appel à la construction métallique. Ces options sont les suivantes : Système de combles aménageables conçu pour créer un espace habitable ; Pannes en acier positionnées entre des ossatures porteuses ou des murs de refend; Cassettes de toit préfabriquées en acier ; Panneaux mixtes (pour des portées de 6 m maximum). Les toitures en acier peuvent être fabriquées selon un large éventail de formes, y compris des formes cintrées et polygonales. Les revêtements métalliques conviennent pour les toits de faibles hauteurs et les formes cintrées. Les deux points principaux à considérer sont la direction de la portée du toit et le niveau d isolation thermique. Les portées du toit peuvent aussi bien être: De façade à façade, avec des portées de 8 à 12 m; Entre des murs de refend avec des portées de 5 à 8 m. Dans le premier cas, on préfère utiliser une ferme traditionnelle, mais dans le second cas, des pannes ou autres systèmes permettent d exploiter l espace de toiture. La Figure montre un système de toiture en acier ouvert, permettant la réalisation de combles aménageables. Figure 3.11 Système classique de toiture "ouverte" en acier utilisant des profilés formés à froid ESE - Strategies for economic construction ver 06_FR_Final.doc 21

30 Pour les toitures, le niveau d isolation thermique exigé est habituellement élevé (valeurs U < 0,15 W/m 2 K) et par conséquent l épaisseur totale de l isolation thermique peut atteindre 150 mm. La plus grande partie de l isolation est placée à l extérieur de la toiture en acier, c est-à-dire des fermes ou des pannes, mais on peut placer jusqu à 30% de l isolation entre les éléments en acier sans risque de condensation. Les panneaux mixtes peuvent être fabriqués avec un revêtement attractif (ex, aspect de tuiles). Des panneaux photovoltaïques ou des collecteurs thermiques peuvent être aisément fixés sur l habillage en acier et son ossature secondaire. 3.5 Sécurité incendie La sécurité incendie dans les bâtiments résidentiels couvre un certain nombre de facteurs comme : les issues de secours, la prévention de la propagation du feu, la stabilité des ossatures et l existence de moyens efficaces de lutte contre le feu. Les exigences relatives à la stabilité des ossatures et aux compartiments sont habituellement exprimées en termes de résistance au feu des éléments structuraux. La résistance au feu est basée, pour des raisons d étalonnage, sur les résultats d essais au feu normalisés. Elle est exprimée par paliers de 30 minutes. Pour la plupart des bâtiments résidentiels, une résistance au feu de 30 minutes minimum est exigée, celle-ci est portée à 60 minutes pour des murs séparatifs, selon les règles nationales. Les bâtiments de grande hauteur peuvent exiger une résistance au feu de 90 minutes, principalement pour des raisons de stabilité de l ossature et d efficacité de lutte contre le feu. En général, pour les murs et les planchers, les mesures adoptées pour obtenir une isolation acoustique satisfaisante permettent également d obtenir une résistance au feu d au moins 60 minutes. La sécurité au feu des poutres peut être réalisée avec des panneaux, par spray ou par revêtements intumescents. Différents conseils sont donnés à ce sujet dans les chapitres décrivant le système de plancher spécifique (voir à 3.2.5). La protection incendie pour les poteaux est en général réalisée à l aide de panneaux pour des raisons esthétiques, avec des épaisseurs en général de : 15 mm pour une résistance au feu jusqu à de 60 minutes 25 mm pour une résistance au feu de 90 minutes. ESE - Strategies for economic construction ver 06_FR_Final.doc 22